底吹炉喷枪出口处蘑菇头对气体行为影响的模拟研究

底吹炉喷枪出口处蘑菇头对气体行为影响的模拟研究 doi:10.3969/j.issn.1007-7545.2016.11.001 底吹炉喷枪出口处“蘑菇头”对气体行为影响的模拟研究 杨鹏，苏福永，刘训良，温治 (北京科技大学 能源与环境工程学院，北京 100083) 摘要:依据热量平衡原理，计算得到了某种气体喷吹流量下形成的“蘑菇头”直径为60.2 mm。使用商业软 件FLUENT将“蘑菇头”区域设置为多孔介质，利用VOF模型模拟了“蘑菇头”存在时气泡的产生、生长、 直至破裂的过程。对比没有“蘑菇头”时气泡的变化，模拟发现，“蘑菇头”的存在对流动过程的影响较大。“蘑 菇头”的存在使气泡体积与表面积更大，形状更接近球形，且在炉内停留时间更长，有利于炉内气体与熔体 的流动与充分反应。 关键词:底吹炉;蘑菇头;多孔介质;VOF方法 中图分类号:TF062 文献标志码:A 文章编号:1007-7545(2016)11-0000-00 Simulation of Gas Behavior Influenced by “Head of Mushroom” on Nozzle on Bottom-Blowing Furnace YANG Peng, SU Fu-yong, LIU Xun-liang, WEN Zhi (School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China) Abstract:Calculated diameter of “head of mushroom” (HOM) is 60.2 mm with some rate of gas flowing based on thermal balance. Area of HOM was defined as porous media by commercial software FLUENT. Process of formation and growing up until burst of bubbles influenced by porous media was simulated by VOF model. Through comparision with condition without porous media, there is an obvious difference in flowing with existing of porous media according to simulation results. Existing of porous media results in bigger volume and surface area of bubble, sphere-like shape and longer maintance of bubble in furnace, which facilitate flowing and reaction of gas and molten liquid in furnace. Key words:bottom-blowing furnace; head of mushroom; porous media; VOF model 在底吹熔炼炉内，高速气体由设置在炉底的喷枪喷入，与炉内高温熔体发生物理化学反应。在实际生产过 程中，发现在喷枪出口处会形成一个形状类似“蘑菇头”的多孔物体。这是由于喷枪喷出气体的温度很低，使得 喷枪喷口附近的熔体迅速冷却，当满足结晶条件与形成“蘑菇头”的温度要求时，“蘑菇头”就会形成，同时还会 随着冶炼过程的进行而不断长大。“蘑菇头”的存在可以使氧枪不受熔体的侵蚀，同时“蘑菇头”会使得气体流速 发生变化，因此对喷出气体的行为有很大的影响。研究“蘑菇头”对喷吹气体的影响采用多孔介质模拟法。袁集[1]华等通过冷态试验得出了“蘑菇头”的形成过程，研究了喷枪出口温度、水熔池温度及底吹气体流量对“蘑菇头”[2]生长的影响。此外他们还通过热态试验模拟了“蘑菇头”的生成过程，得出了铁水作为熔体时“蘑菇头”的形成[3]条件。韦远等建立了复吹转炉“蘑菇头”生长模型，研究了“蘑菇头”生长的影响因素。 [4]“蘑菇头”的试验研究较多，数值模拟研究较少。底吹熔池两相流研究的代表方法为VOF法。张振扬等 采用VOF模型对底吹熔池炼铜炉内气泡的产生和变化过程进行了模拟，得出了气泡形成、合并、变形直到破碎[5]的全过程。余跃等采用VOF模型研究了底吹炉内喷枪结构对炉内流场的影响。本文将“蘑菇头”区域设置为多 孔介质区域，将炉内流体简化设置为水，采用热平衡法计算得出了“蘑菇头”尺寸，使用FLUENT软件中的VOF 模型对底吹炉内存在“蘑菇头”时的流动过程进行模拟，得到了“蘑菇头”气泡的形态以及对炉内流动的影响。 1 “蘑菇头”热平衡法模型 在“蘑菇头”对于流动过程影响的研究过程中，首先需要计算“蘑菇头”尺寸。计算“蘑菇头”尺寸的数学模型 图如图1所示，计算参数取自某公司实际生产参数。在本文的计算中，入口处管壁温度为250 ?，出口处管壁3温度800 ?，熔体温度1 250 ?，单枪喷吹气体流量2 000 m/h(标态，下同)。 收稿日期:2016-06-15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51276015) 作者简介:杨鹏(1992-)，男，山东潍坊人，硕士研究生;通信作者:苏福永(1982-)，男，天津人，博士后. T-喷枪入口处壁温;T-喷枪出口处温度;T-气体进入喷枪的温度;T-气体离开喷枪的温度; sisogigo T-“蘑菇头”内壁温度;T-“蘑菇头”外壁温度;T-气体离开“蘑菇头”的温度 pipogm 图1 “蘑菇头”数学模型 Fig.1 Mathematical model of “head of mushroom” 由于多孔介质内孔隙的存在，其导热系数必然小于纯固体。当孔隙内流体流速很高时，由于流速的增加所带来的对流换热的效果被强化，因此，可以减小多孔介质的热阻。本文研究的“蘑菇头”内气体流速较高，计算时取铜的导热系数为400 W/(m?K)。同时，“蘑菇头”的传热较复杂，因此在计算时采用以下假设: 1)进入“蘑菇头”的热量为熔体对“蘑菇头”导热与炉壁对“蘑菇头”导热的总和，其数值等于离开“蘑菇头”的热量，即气体从进入“蘑菇头”到离开“蘑菇头”因温度变化带走的热量; 2)球壳内径须大于喷枪外径，本文根据对实际生产过程中“蘑菇头”的测量，取球壳内径为25 mm。根据热平衡法计算“蘑菇头”尺寸的计算过程如下。 (1)气体进出“蘑菇头”温度的确定 气体进入喷枪的温度为50 ?，气体离开喷枪(即进入“蘑菇头”)的温度使用FLUENT软件进行模拟计算。模型几何参数:管径6.5 mm;管长460 mm;空气进入喷枪温度50 ?;湍流强度5%;水力直径6.5 mm;操作-5压力0.3 MPa;空气黏度3.110 kg/(m?s);空气比热容1 017 J/(kg?K);空气导热系数0.036 W/(m?K);空，3气质量流量0.42 kg/s;气体密度2.69 kg/m。 最终得到的气体在喷枪出口处温度为260 ?，参照文献[6]取气体离开“蘑菇头”的温度为800 ?。由气体进出“蘑菇头”的温度可以计算出离开“蘑菇头”的热量。 (2)进入“蘑菇头”的热量 通过球面导热进入“蘑菇头”的热量。计算时“蘑菇头”外表面温度为熔体温度，“蘑菇头”内表面温度为喷枪出口处管壁温度。 通过本文的计算最终得到“蘑菇头”外径为30.1 mm，“蘑菇头”直径60.2 mm。 2 底吹炉模型的建立 2.1 物理模型 以某公司的底吹炼铜炉为例，底吹炉内径3.88 m，长21 m，炉内熔体高度1.5 m。炉底设有18支氧枪，由于炉底氧枪的布置具有周期性，为减少计算成本，本文对包含1支氧枪的流动区域以及多孔介质区域进行模拟。 单枪模型的炉体半径为646.5 mm，炉体厚度为200 mm。为实现在不同区域划分不同密度的网格，保证网格的质量，将炉体切成若干个体积。使用GAMBIT绘制网格，对“蘑菇头”区域使用非结构四面体网格，其余区域均采用结构体网格。气体由炉底喷枪喷入，喷枪氮气通道直径8 mm，氧气通道为内径16 mm、外径18 mm的4个环形喷口。气体在重力、黏性力、浮力作用下自炉底上升。喷枪结构与“蘑菇头”模型如图2所示。 图2 喷枪结构与“蘑菇头”模型图 Fig.2 Sketch map of structure of nozzle model and “head of mushroom” model 2.2 数学模型 发生在底吹炉内的过程是一个复杂的流动、传热以及化学反应过程。本文的研究对象为气泡在上升过程中形态的变化，因此进行以下相关假设简化模型:1)底吹炉内流体为不可压缩流体，不考虑喷溅造成的损失;2)气泡上升过程所受的力主要有表面张力及浮升力;3)忽略炉内的化学反应过程。本文采用如下控制方程。 连续性方程: S,,,αqq，,,,u, q,t,q 动量方程: ,,,,EuEpkTS ，,,，,,,,，，，，，，，，，effht, 能量方程: ,,,,,,,,,T,，，,, ,,,,uuupuugF，,,,,,，,，,，，，，，，,,,,t,,,，， ,标准k-湍流模型: ,(),,ku,,,(),kkit，,，，，,,，[()]GGYS,,,kbMk,,,,txxx,ijkj 2,(),,,u,,,(),,,,,it，,，，，,，[()]()CGCGCS,, 132kb,,,,,,,,txxxkk,ijj, 两相过程本文采用VOF方法。VOF法通过研究网格单元中的流体和网格体积之比构成的函数F，确定自由面，追踪流体变化，而不是追踪自由液面上的质点运动。 2.3 定解条件设置 入口条件:入口设置为速度入口，两通道气体流速不同，外部氮气通道流速63.75 m/s，湍流强度5.317%，当量直径2.444 mm，内部氧气通道速度30.01 m/s，湍流强度5.308%，当量直径4 mm。 出口条件:出口设置为压力出口，出口压力0 Pa，回流湍动能与耗散率设置为0.01。 壁面边界条件:无滑移边界条件，壁面处流体速度为0，近壁面采用标准壁面函数。 “蘑菇头”区域设置为多孔介质区域。由于实际“蘑菇头”是球壳而非实心半球，空心部分等效孔隙率为0.6，“蘑菇头”本身孔隙率约为0.2，因此最终孔隙率设置为0.8。底部为熔体区域，上部为空气区域，空气设置为主相，熔体为第二相。熔体区介质为水，水与空气的相间力为0.073 N/m。 3 模拟结果 “蘑菇头”存在时气泡上升过程中不同时间的形态如图3所示。 (a)0.006 972 s;(b)0.137 5 s;(c)0.320 3 s;(d)0.327 2 s;(e)0.362 4 s; (f)0.397 7 s;(g)0.465 1 s;(h)0.515 8 s;(i)0.587 7 s 图3 不同时间的气泡形态变化图 Fig.3 Shape of bubble at different time 气体喷出后在喷口处形成球状气泡上升(图3a)，气泡体积不断胀大，随后形成上部为半球形，下部为细长圆柱体的蘑菇形(图3b)。随着底部柱状长度的增加(图3c)，圆柱气流中间位置被拉伸而不断变细，直到分裂为两股气流(图3d)，在上升过程中，上部分柱状气流与半球状气泡融合(图3e)，并使其体积胀大，下部分柱状气流流速较慢，会与喷枪刚喷出的高速气流汇合。由于半球状气泡表面积增加导致所遇到的阻力不断增大，因此上升速度减慢，底部高速气流很快与其融合，再次形成蘑菇形的气泡，随后蘑菇形气泡底部的柱状气流被拉长、变细，直到断裂(图3f~3g)，进而重复上一过程。气泡上升至液面使其发生波动(图3h)，最终破裂(图3i)。 3.1 “蘑菇头”存在与否对气泡形貌的影响 气泡的体积与形状:有“蘑菇头”存在时气泡的体积要大于没有“蘑菇头”存在时气泡的体积。没有“蘑菇头”的时候气泡没有明显的径向膨胀，因此形状更接近于柱状;而“蘑菇头”存在时，由于“蘑菇头”对喷出气流的速度方向产生影响，速度倾向于向四周发散，气泡在径向方向膨胀明显，甚至接近球形(如图4所示)。在实际生产中，体积更大的气泡与流体有更多的接触，反应更加充分，对流体流动的搅拌效果更好。 (a)无“蘑菇头” (b)有“蘑菇头” 图4 有无“蘑菇头”气泡的对比图 Fig.4 Comparison of shape of bubble with/without “head of mushroom” 3.2 “蘑菇头”存在与否对气泡上升时间的影响 气泡到达液面的时间决定了气泡在炉内停留的时间。在有“蘑菇头”的情况下，气泡到达液面的时间是0.499 5 s，而没有“蘑菇头”存在时气泡到达液面的时间是0.179 6 s，即有“蘑菇头”的情况下，气泡到达液面的时间是没有“蘑菇头”存在时的2.8倍。因此“蘑菇头”的存在可以使气体在炉内停留更长的时间，说明“蘑菇头”有利于炉 内反应的充分进行。 综合分析，可以认为“蘑菇头”的存在有助于炉内熔体与气体进行更充分的反应。 3.3 “蘑菇头”对喷口附近压力波动的影响 [5]没有“蘑菇头”存在时，喷口附近的压力存在波动。本文在喷枪出口附近设置压力监测点。“蘑菇头”存在时的压力波动曲线与无“蘑菇头”时的压力波动情况类似，如图5所示。 7 6 5 a4 3 压力/kP2 1 0 -10.00.10.20.30.40.50.60.70.8 时间/s 图5 监测点压力曲线图 Fig.5 Pressure diagram of monitoring point 监测点压力的波动是由于在喷口区域气泡并非连续产生的，气泡的产生、膨胀与离开会导致压力的变化。喷口附近气泡不同时间的形态变化情况如图6所示。通过对比气泡形态随时间变化图，发现压力峰值出现的时刻为上一个气泡离开、新气泡刚刚形成的时刻。 (a)0.121 s;(b)0.152 s;(c)0.216 s;(d)0.274 s;(e)0.342 s; (f)0.413 s;(g)0.486 s;(h)0.508 s;(i)0.612 s;(j)0.695 s 图6 喷口附近不同时间的气泡形态图 Fig.6 Shape of bubble near nozzle at different time 4 结论 1)气体喷出后首先在喷口处形成球状气泡上升，随后形成一个上部为半球形、下部为细长圆柱体的蘑菇形。随着底部柱状长度的增加，圆柱气流中间位置被拉伸而不断变细，直到分裂为两股气流，在上升过程中，上部分柱状气流与半球状气泡融合，并使其体积胀大，下部分柱状气流流速较慢，会与喷枪刚喷出的高速气流汇合，再次形成蘑菇形的气泡，并不断重复上一过程。气泡上升至液面使其发生波动，最终破裂。 2)“蘑菇头”存在时气泡体积更大，气泡径向方向膨胀明显，总表面积增大，形状更接近于球状，且气体在炉内停留时间更长，有助于炉内气体与熔体的流动与充分反应。 参考文献 [1] 袁集华，陈永定，唐仲和，等. 底吹喷枪出口端蘑菇头形成机理及模拟研究[J]. 炼钢研究学报，1994，6(1):5-8. 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